旋回破碎机大型薄壁偏心轴套加工工艺优化.pdf

第 48 卷 2020 年第 2 期 破 磨 编辑 翟晓华 31 作者简介祝兴华，男，1984 年生，工程师，主要从事矿山机 械机加工工艺设计与研究工作。 旋回破碎机大型薄壁偏心轴套 加工工艺优化 祝兴华1,2 1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 摘要根据旋回破碎机大型偏心轴套特点，制定机加工工艺成本评估标准，针对该类型零件刚性差易 变形、斜偏心内孔加工困难及加工效率低等问题，策划高效的加工工艺方案。利用工件自身加工余 量，在工件外圆和端部保留适当的工艺环用于装卡，有效改善车镗加工时找正、定位和微调等难题， 实现了“以车代镗” ；并针对偏心量与斜度提出一种快捷的测量方式，有效控制内孔的加工精度。该 工艺方案应用于实际生产中，达到了降本增效的目的。 关键词旋回破碎机；偏心轴套；薄壁加工；斜偏心；找正 中图分类号TD451 文献标志码B 文章编号1001-3954202002-0031-04 Optimization on machining process for large thin-walled eccentric sleeve of gyratory crusher ZHU Xinghua1,2 1Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China AbstractAccording to the characteristics of the large eccentric sleeve of the gyratory crusher, a set of uation criteria for machining process cost was ulated. In view of the problems of the similar part such as poor rigidity, easy deation, difficulty in machining oblique eccentric hole and low machining efficiency, a set of efficient machining process was worked out. It was proposed to apply the machining allowance of the workpiece to remain suitable technical ring at the outer circle and the end of the workpiece for clamping, so as to avoid the alignment, positioning and fine adjustment in boring procedure and realize the replacement of boring with turning. In addition, a rapid measurement for the eccentricity and obliquity was offered, thus the machining precision of the hole was effectively managed. The machining process had been applied to production, thus the cost reduced and the efficiency enhanced. Key Wordsgyratory crusher; eccentric sleeve; machining of thin-walled part; oblique eccentricity; alignment 旋 回破碎机是冶金、建材、化工和水电等行业 粗碎坚硬矿物的代表设备，利用偏心轴套的转 动带动主轴上的破碎锥在壳体内锥腔中做旋回运动， 对物料产生挤压、扭曲和劈裂作用，实现连续的破碎 作业，具有生产能力大、单位能耗低、工作平稳、 适合破碎片状物料及破碎的物料粒度均匀等特点[1]。 偏心轴套作为旋回破碎机中的核心零件，毛坯多采用 离心浇铸或锻造而成，加工时金属去除量非常大，铁 屑约占总质量的 50～70，而偏心零件本身壁薄装 夹难、刚性差易变形[2]等，使得加工难度非常大。此 外，产品零部件的大型化、重型化和单件小批量生 产，决定了依靠工装保证切削加工精度时生产成本居 高不下。目前针对通用中小型偏心零件加工的研究颇 多[3-4]，但对于大型偏心套类零件的加工工艺研究较 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 编辑 翟晓华 破磨 32 为少见。 为此，笔者从加工成本和加工效率两方面入手， 依据工艺优化成本评价标准，制定一整套完整高效的 加工工艺方案，并针对偏心量与斜度的校验提出一种 快捷的测量方式与误差分析体系，用以控制内孔的加 工精度。 1 大型薄壁偏心轴套的加工难点 大型薄壁偏心轴套的加工难点是如何保证内孔与 外圆的偏心量以及两者轴线之间的夹角 见图 1，一 般有镗削和车削两种加工方式镗削时工件卧放[5]， 因镗床工作台回转精度高，可有效控制斜偏心，但装 卡易变形，加工吃刀量不宜过大，粗加工时效率低， 且表面粗糙度较差；立车通常需要专用的工装将工件 垫斜达到控制偏心的目的，这样的工装只能针对特定 的偏心量和角度的零件[6]，工装使用起来比较笨重， 制作成本较高，且不同型号的破碎机偏心套的偏斜角 度均不一致，工装不能实现通用化。 2 工艺优化成本评价标准制定 为了使生产利润最大化，零件机加工工艺优化通 常采用最少时间标准 见式 1 和最低成本标准 见式 2 2 种评价标准[7]。 n K KW B plr 2 δρ ， 1 VnBW nB K K pl δ ρδ , 。 2 式中T 为该工艺流程加工所用总时间；I 为该工艺 流程工序总数；t i准 为第 i 道工序的准结所需时间；n 为该批次零件数量；t i 单 为第 i 道工序的单件加工所需 时间；C 为该工艺流程加工所用总成本；mi 为第 i 道 工序单位时间内所分担的全厂开支，即单位工时成 本。 1 最少时间标准 通过以减少单件生产时间的 方式提高生产率，必要时不惜在生产成本上做出一些 牺牲，以实现对市场的快速反应，在批量生产时收效 显著。 2 最低成本标准 降低的成本可直接转化为收 益，在时间允许的情况下依据该标准实施生产是切实 可行的。 考虑到矿山机械行业单件生产、周期长、成本 高的特点，评价标准以最低成本为目标，兼顾最少时 间标准，建立目标函数进行优化，以改善加工工艺流 程。 3 加工工艺流程优化 3.1 加工工艺基本流程创建 大型薄壁偏心轴套加工工艺优化，通过车工艺压 环 见图 2 用于辅助装卡 见图 3、铣十字槽和找正 圆，实现“以车代镗” ，步骤如下 1 按同心圆粗车外圆、内孔及两端面，两端面 留量较大，以便借量去除探伤发现的缺陷部分； 2 超声波探伤检查； 3 粗车外圆及两端面，端面车留工艺卡头，外 a b c 图 3 工件在立车加工装卡方案 Fig. 3 Clamping scheme of workpiece in vertical lathe 图 1 旋回破碎机大型偏心轴套结构尺寸 Fig. 1 Structural dimension of large eccentric sleeve of gyratory crusher 图 2 工艺环槽示意 Fig. 2 Sketch of technical ring and groove 准 准 单 单 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 破 磨 编辑 翟晓华 33 圆上距两端约 1/4 处留工艺环，如图 2a 所示； 4 镗床在端面铣十字槽，并在槽底刻十字中心 线，镗偏心内孔找正带，如图 2b、c 所示； 5 十字槽底面垫平，按内孔处的找正带找正， 一次调装，粗车内孔及上端面； 6 调质处理； 7 半精车外圆及两端面 见光，卡头与工件之 间车卸荷槽； 8 半精车内孔，操作类似于步骤 4 和 5，工 艺环对称处铣直槽，如图 2d 所示，用于镗床辅助工 件调整； 9 超声波探伤检查； 10 端面垫平，精车外圆 包括工艺环 并光整外 圆表面，十字槽底面垫平，精车内孔并抛光； 11 根据端面的十字槽底面及内孔找正，铣内孔 键槽，根据端面及外圆找正，铣外圆键槽，最后铣掉 卡头，铣成两端面。 3.2 具体实施方法 步骤 1 中，利用锻件毛坯两端的余料作为卡 头，粗加工时将卡头的两端面车削平整，使得与偏心 套的外圆垂直。卡头不仅用于装卡，也用于后续工序 中在卡头上车铣找正面辅助加工。 步骤 3 中的工艺环，用于后续上立车时装卡， 因工件总高度大于立车滑枕行程，需要调装二次走刀 完成加工。 步骤 4 在卡头两端面十字中心线处，铣削找正 平面，该平面与内孔垂直，以此代替传统的利用专用 工装找正和加工偏心的方式。两端面的十字槽槽宽约 100 mm 见图 2c，上下两端的槽底面平行，与端面 成一定角度，该角度等于内孔中心与外圆中心夹角 β，上立车加工时按十字槽底垫等高垫铁，并按内孔 圈圆找正，即能保证斜度要求。 步骤 5 中，利用如图 3a 中的工艺环作为辅 助，采用常用螺栓、螺杆和压板便能在不引起零件变 形的情况下对工件进行牢固装卡；倘若工件内外圆本 身没有台阶，也可采用图 3b、c 中所示进行装卡， 将卡爪的径向夹紧力转变为轴向力，有效避免了工件 弹性变形引起的加工误差。 镗削时工件卧放于 V 形铁，利用天车等起吊工 具调整内孔的偏心轴线与外圆的中心轴线呈水平夹 角，然后旋转回转工作台调整内孔斜度，数控开坐标 实现偏移量并进行镗削内孔。 图 4 所示为工件在镗床装卡改进前后对比示意， 常见的装卡方式如图 4a 所示，工件上下均为 V 形 夹具，仅上面的压板质量就超 0.6 t，装卡不便；更重 要的是，工件卧放时，圆周方向需打表调整找正，依 靠天车或是人工均不易进行工件的微调。优化后如图 4b 所示，工件依靠扳动工艺环对应缺口压板上的螺 栓和螺母，即能完成工件的微调，操作方便、安全。 3.3 内孔斜偏心测量与误差分析 内孔偏心量无法用量具直接测量，使用激光跟踪 仪也需要多站分时测量[8]，而且激光跟踪仪本身属于 精密仪器，价格昂贵，操作起来费时费力。因此，通 过利用外径千分尺测量壁厚来间接控制偏心不失为一 种经济有效的测量方式。因工件在加工过程中端面与 内孔、端面与外圆之间的棱角不规整，常有毛刺或是 表面粗糙，且端面铣有十字工艺槽等因素，影响壁厚 测量的准确性，测量时以在外圆上选取靠近端面有微 小距离 ε 的完整精加工表面为宜。如图 5 所示，可得 偏心量 e 及斜度 β 分别为 M Fr i mgr fi i t 22 00 ηη ， v rn i P r Mi h T 2 60 9 549 30 00 pp ， 式中h理′ 为距测量端面 ε 位置处最小壁厚，其中 ε 视工件尺寸大小而定，本例中取 ε 20 mm；h理″ 为距 测量端面 ε 位置处最大壁厚；L 为工件总高度；e理′ 和 e理″ 为工件总高度 L 的两端偏心量。 实际测量时，千分尺测砧中心放置在距离端面 ε 处，测砧与零件外壁为线接触，而与内壁则为边缘点 接触，即与内壁存在一定的“弧高”，使得测量数值 a 改进前 b 改进后 图 4 镗削时夹紧定位方式对比 Fig. 4 Comparison of clamping and positioning type in boring procedure 图 5 斜偏心测量误差分析 Fig. 5 Analysis on measuring error of oblique eccentricity 理 理 理理 理理 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 编辑 翟晓华 破磨 34 偏大。由图 5 可见，该间隙在测量最大壁厚和最小壁 厚时相等，可知 h测″ - h理″ h测′ - h理′ 。 3 联立式 3，可得实际测量值为 v P mg fi h 2 000η ， 4 t L v mgL fi P h h 1 000 60120 η 。 5 通过式 4、5 可以看出，该测量方法理论上不 会影响偏心值与内孔斜度的测量精度，且操作方便。 4 应用实例 如图 1 所示大型斜偏心轴套，尺寸为 φ1 190 φ8501 730，其锻件毛坯总体尺寸为 φ1 240 φ630 1 900，内外圆尺寸公差要求 6 级精度，斜偏心孔 位置公差约 0.05 mm，表面粗糙度最高达 Ra0.4。大 型偏心轴套加工工艺流程优化前后加工工时与费用合 计对比如表 1 所列。 通过对比各工种加工时间的总和，可以清晰地看 出工艺优化后不仅所用工时缩短、效率提高，而且加 工费用大幅度降低。 5 结语 1 优化后的旋回破碎机大型偏心轴套加工工艺 方案，符合“最低成本为主，最少时间为辅”的评价 标准，大大降低了生产制造成本，且生产效率略有提 高。该工艺方案应用于实际生产中，实现了降本增效 的目的，促进了产品零件的顺利交付使用。 2“以车代镗”的加工方法成功地解决了大型 偏心零件加工时找正、定位和微调等难题，操作方法 简便，且采用立车精加工更易于抛光与滚压，有效提 高了零件表面粗糙度。 3 提出的偏心间接测量方法及误差评价方式， 可以有效测量大型偏心零件的偏心值和倾斜角度，完 全满足测量精度需要，在大型偏心套类零件的偏心距 测量中具有较强的实用性。 参 考 文 献 [1] 郎世平，兰宪斌，郎宝贤．旋回破碎机现状及发展趋势 [J]． 矿业装备，2012548-51. [2] 冯文鹤．用软爪加工偏心件 [J]．制造技术与机床，20022 37. [3] 许景芳．偏心套类零件的磨削 [J]．工具技术，2007，415 93. [4] 王吉明．偏心轴套的加工 [J]．机械工程师，2009143-45. [5] 马春峰，邵佳麟．偏心套的加工 [J]．机械设计与制造，2002 394-95. [6] 吴志强，牛艳芳，李 东，等．加工大型薄壁偏心套的新工 艺 [J]．矿山机械，2005，336101-102. [7] 郝一舒，王德斌，岳滨楠．基于遗传算法的高速铣削加工工 艺多目标优化 [J]．制造技术与机床，2009698-101. [8] 王金栋，郭俊杰，邓玉芬，等．应用激光跟踪仪的数控机床几 何精度检测 [J]．西安交通大学学报，2011，45385-90. □ 收稿日期2019-08-02 修订日期2019-12-03 表 1 加工工艺流程优化前后工时及加工 成本对比 Tab. 1 Comparison of working hour and machining cost before and after optimization of machining process 工种 立车 划线 镗床 钳工 合计 优化前/min 14 280 670 12 570 150 27 670 优化后/min 22 080 640 2 790 150 25 660 节约费用/元 -16 900 4 48 900 0 32 004 注立车型号为 DVT500-25/40；镗床型号为 TK6920。 测 测 测测 测测理理 理 理 万方数据